IL TEMPO NELLA SCIENZA

1. Novembre 2006 Marco Cambiaghi marco.cambiaghi@hsr.it Roberto Weitnauer roberto.weitnauer@tele2.it www.kalidoxa.com info@kalidoxa.com IL TEMPO NELLA SCIENZA

2. IL TEMPO NELLA SCIENZA Le interpretazioni storiche I cicli astronomici L’irreversibilità della natura Cenni sulla relatività

3. IL TEMPO NELLA SCIENZA Le interpretazioni storiche I cicli astronomici L’irreversibilità della natura Cenni sulla relatività

4. 1 - Le interpretazioni storiche L’esistenza del tempo implica che la realtà sia coerente Concepire il tempo significa postulare una successione di eventi La rilevazione degli eventi richiede una ripetizione di altri eventi L’esistenza del tempo implica che la realtà trascorra e ricorra

5. 1 - Le interpretazioni storiche Il tempo ha una duplice natura

6. 1 - Le interpretazioni storiche Tempo ciclico Tempo lineare Pensiero classico pagano Mito greco Orfismo – Metempsicosi - Pitagora Bibbia (Dio creò il Cielo e la Terra) Cristianesimo (Apocalisse) Civiltà occidentale moderna Periodi astronomici e cosmici Irreversibilità in fisica e biologia

7. 1 - Le interpretazioni storiche Platone:“Venerando e terribile” * Parmenide di Elea (515-450 a.C.) * “Tutto è Uno”(Scuola eleatica) Il non-Essere è inconcepibile

8. 1 - Le interpretazioni storiche Riduzione all’assurdo * Zenone di Elea (490-425 a.C.) * Achille e la Tartaruga T = t1 + t2 + … + tn

9. 1 - Le interpretazioni storiche FILOSOFIA IL TEMPO È UN FENOMENO IL TEMPO È ILLUSORIO FILOSOFIA NATURALE DAL CAOS AL COSMO METAFISICA SCIENZA

10. 1 - Le interpretazioni storiche * Eraclito di Efeso (535-475 a.C.) * Mondo sensoriale Lógos Tensione degli opposti Fuoco “Tutto fluisce” Termodinamica

11. 1 - Le interpretazioni storiche * Empedocle di Agrigento (490-430 a.C.) * Mondo diveniente Eleatismo/Religione Amore e Odio Agenti fisici (uniscono e separano) Universo pulsante

12. 1 - Le interpretazioni storiche Filosofia naturale Universo pulsante Universo fluente

13. 1 - Le interpretazioni storiche * Aristotele (384-322 a.C.) * Cielo perfetto e Terra corruttibile Priorità delle forze finali Universo strutturalmente statico Fenomeni temporali = Imperfezione locale Morte della filosofia naturale

14. 1 - Le interpretazioni storiche * XVI-XVII secolo * Galileo Cartesio Newton Principio d’inerzia Principio causalità Scienza moderna • Il tempo è una successione di cause ed effetti • La causa è l’invariabile antecedente • Il tempo ha una nuova direzione logica

15. 1 - Le interpretazioni storiche * Dualismo (cartesiano) * Tempo soggettivo Tempo dei fenomeni Tempo delle convenzioni Calendario, orologio Tempo nella percezione Tempo individuale Tempo dei ricordi Tempo oggettivo

16. 1 - Le interpretazioni storiche Nella scienza il tempo è universale e oggettivo

17. IL TEMPO NELLA SCIENZA Le interpretazioni storiche I cicli astronomici L’irreversibilità della natura Cenni sulla relatività

18. 2 – I cicli astronomici * Movimento e tempo * Tito Lucrezio Caro (99-55 a.C.) in “De rerum natura”: “Nemmeno il tempo sussiste come entità: son le cose stesse che creano il senso di ciò che è scorso negli anni, di ciò che dura nel presente, di ciò che poi seguirà: nessuno può avvertire il tempo di per sé, avulso dal moto e dalla placida quiete delle cose.”

19. 2 – I cicli astronomici * Riferimento * La misura del tempo deve essere “scandita”, ovvero occorre un moto ripetitivo Ciclo

20. 2 – I cicli astronomici * Demone della periodicità *

21. 2 – I cicli astronomici * Ritmi naturali * • Giorno (deus, dies, diurnus - cielo, tempo luce) • Stagione (statio - stare / hora - ora) • Anno (an, anulus - anello) • Ritmi biologici (cronobiologia) Unità temporale: frazione del giorno

22. 2 – I cicli astronomici Il tempo della vita è scandito dal Sole

23. 2 – I cicli astronomici * Scelta di un sistema orario * Tempo diurno della luce • Il periodo di luce varia con la stagione • Il percorso del Sole varia con la stagione Ciclo solare completo • Il tempo di ritorno del Sole nella stessa posizione varia con la stagione Difficoltà di frazionamento e di cadenzamento

24. 2 – I cicli astronomici * Equinozi e solstizi *

25. 2 – I cicli astronomici * Velocità orbitale * Seconda legge di Keplero

26. 2 – I cicli astronomici * Riferimento uniforme * Giorno solare Variabile durante l’anno Giorno sidereo Non è una cadenza solare Giorno solare medio Sole virtuale costante Coincide col Sole reale solo quattro volte all’anno Orario civile uniforme

27. 2 – I cicli astronomici * Disuniformità * Il giorno sidereo è un riferimento per la taratura del giorno solare medio che non risente delle variabilità Sole-Terra. Ma la rotazione del globo su sé stesso sarebbe rigorosamente uniforme solo se lo stesso fosse: Perfettamente sferico Perfettamente omogeneo Perturbazioni sul riferimento naturale assunto come periodico Perfettamente indeformabile Perfettamente isolato

28. 2 – I cicli astronomici * Alcune perturbazioni * Precessione degli equinozi (movimento a trottola) Sole e Luna nel piano Nutazione (annuire) Luna e pianeti fuori dal piano Precessione degli absidi (Hoola hop) Pianeti Eccentricità variabile (rigonfiamento) Pianeti Correnti oceaniche e atmosferiche Oscillazione chandleriana (vacilla) Dissipazione energetica (rallenta) Maree

29. 2 – I cicli astronomici • Cicli complessi e numerosi • Non vale la sovrapposizione degli effetti • Alcuni fenomeni aperiodici (rallentamento) “Entra polvere nell’orologio astronomico”

30. 2 – I cicli astronomici Il ciclo astrale perfetto è solo un’astrazione

31. 2 – I cicli astronomici * Secondo standard * • 1820: 86’400-esima parte del giorno solare medio • 1960: T.E.: 31'556'925,9747-esima parte dell’anno tropico • del giorno 1 gennaio1900 h 12:00 • 1967: Controllo: 9'192'631'770 oscillazioni • dell’atomo cesio-133 L’orologio atomico si allontana lentamente da quello astronomico Saltuarie correzioni

32. IL TEMPO NELLA SCIENZA Le interpretazioni storiche I cicli astronomici L’irreversibilità della natura Cenni sulla relatività

33. 3 – L’irreversibilità della natura * Tempo lineare * Il passato non torna Evoluzione termodinamica Evoluzione biologica Evoluzione cosmica

34. 3 – L’irreversibilità della natura * Mutamento * Tito Lucrezio Caro (99-55 a.C.) in “De rerum natura”: Nessuno può avvertire il tempo di per sé, avulso dal moto e dalla placida quiete delle cose. Ogni cambiamento corrisponde a un trasferimento di energia: il tempo si manifesta solo se l’energia si sposta

35. 3 – L’irreversibilità della natura * Meccanica classica * Sistemi conservativi Ogni cambiamento corrisponde a uno scambio di energia potenziale e cinetica I moti sono reversibili Il tempo è un parametro che descrive condizioni di equilibrio dinamico

36. 3 – L’irreversibilità della natura * Termodinamica * Paradigma dei vasi comunicanti (energia come fluido) Lo squilibrio viene compensato

37. 3 – L’irreversibilità della natura * Secondo principio * Lo squilibrio viene compensato I potenziali diminuiscono Il disordine cresce L’entropia dell’universo aumenta Il tempo scorre

38. 3 – L’irreversibilità della natura Il tempo scorre, perché l’universo è squilibrato

39. 3 – L’irreversibilità della natura * Big Bang * Il tempo inizia con uno squilibrio

40. 3 – L’irreversibilità della natura * Cosmo pulsante * Tempo effettivo avanti (verso il disordine) Big bang Espansione Morte termica Siamo qui Tempo ipotetico indietro (verso l’ordine) Contrazione Espansione

41. 3 – L’irreversibilità della natura * Durante lo squilibrio * Alta energia (prima) Può innescarsi una “struttura dissipativa” che facilita il flusso energetico L’entropia locale diminuisce L’entropia totale aumenta Bassa energia (dopo)

42. 3 – L’irreversibilità della natura * Tra prima e dopo: Retroazione * Flusso di energia Prima Dopo Flusso delle interazioni Stimolo (input) Risposta (output) Sistema dissipativo Feedback

43. 3 – L’irreversibilità della natura * Strutture dissipative * • Non sono eccezionali e sono un riflesso inequivocabile del tempo che scorre, generando un ordine locale che contribuisce al disordine globale Tornado/mulinelli Celle convettive Reazione di Belousov-Zhabotinsky Effetto Larsen Retroazione video Sistemi meccanici non-lineari Biosfera Importante

44. 3 – L’irreversibilità della natura La dissipazione forma il tempo della vita

45. 3 – L’irreversibilità della natura * Complessità * • I sistemi regolari (ad es. periodici) possono interpretarsi come casi particolari di una condizione generale caotica del Cosmo. • Così, il tempo delle scansioni uniformi può intendersi come il lato più semplice di un tempo complesso. Lo “spazio delle fasi” è un “mostro geometrico”

46. 3 – L’irreversibilità della natura * Ilya Prigogine (1917-2003) * Nei sistemi in equilibrio, tipici della fisica classica, il tempo è un parametro che (…) costituisce un riferimento rispetto al quale le altre grandezze variano. Nei sistemi lontani dall'equilibrio (…) le fluttuazioni del sistema si possono interpretare come i ticchettii di un orologio, e permettono di determinare un'altra nozione di tempo. Tempo interno

47. IL TEMPO NELLA SCIENZA Le interpretazioni storiche I cicli astronomici L’irreversibilità della natura Cenni sulla relatività

48. 4 – Cenni sulla relatività * Approccio all’elettromagnetismo * • Londra, 1864: • Equazioni di Maxwell • Velocità di propagazione fissa • Cleveland, 1887: • Esperimento di Michelson e Morley • L’etere non esiste

49. 4 – Cenni sulla relatività * Costante di natura * • La propagazione nel vuoto delle onde elettromagnetiche è l’effetto più veloce che si conosca • La velocità in questione è un invariante assoluto, cioè non dipende dall’osservatore • Nessuna velocità può eccedere c = 299’792,458 km/s • La velocità c caratterizza/condiziona la realtà fisica

50. 4 – Cenni sulla relatività Nessuna interazione è istantanea